张 字王连登许朋朋王沁峰曹海春郑江水罗振华
（1．福州大学机械工程及自动化学院；2．集美大学机械与能源工程学院；3．福建省瑞奥麦特轻金属有限责任公司）
滤波器设备使用功率大、集成度高，对散热性要求高，需要滤波器散热壳体进行充分散热。因此要求滤波器散热壳体具有较高的热导率，壳体表面的散热片要尽量减薄，在满足产品强度的前提下要尽可能符合轻量化设计以便于安装、维护。该类产品的制造常采用压铸工艺，但压铸滤波器散热壳体存在气孔、氧化夹杂等缺陷，其散热片壁厚较大，所能达到的最小壁厚是1.5mm，这使得散热壳体质量较重，散热性能差，降低了产品的使用性能。
半固态压铸技术采用处于液、固两相温度区间的半固态金属浆料。在压铸过程中，由于金属浆料固相率大、粘度高、晶粒圆整，在合适的压射参数下金属浆料将以接近层流方式流动充满型腔，充型过程平稳、均匀，可以实现近净成形。早期的半固态压铸技术主要用于解决厚大压铸件的气孔和氧化夹杂问题，对于超薄壁铝合金精密结构件的半固态压铸研究较少。采用从瑞典引进的RSF (Rapid Slurry Forming)半圊态制浆技术，结合压铸工艺实现了超薄壁铝合金精密结构件滤波器散热壳体的量产（壁厚为0.8～1.0 mm），RSF半固态制浆技术的基本原理是用熵交换材料EEM(Enthal-py Exchange Material)作为冷却剂来吸收热量和提供外来形核质点，从而促进金属液的非均匀形核，通过控制熔体的焓熵来快速制备金属半固态料。
通过前期对RSF半固态压铸的研究发现，半固态压铸时，压射低速值和高低速转换位置对半固态浆料的充型状态影响较大。如果速度转换时刻较早，半固态浆料将产生飞溅、卷气等问题。因此，本课题基于RSF半固态快速制浆技术，针对滤波器散热壳体精密结构件的发展需要，采用MAGMA软件模拟了滤波器散热壳体在不同的压射低速值和高低速切换位置下半固态浆料的充填状态，并根据模拟所获得的最佳半固态压铸参数进行了实际生产验证。
1 CAE模流条件
1.1 试验条件
图1为滤波器散热壳体。该零件形状规则，由数片矩形散热片组成且水平布置在同一平面上。散热片要求壁厚均匀且壁厚维持在0. 8～1.0 mm，脱模斜度维持在1°左右，表面无缩松、气孔。
铸件材质为Al-7Si-Mg合金（其成分见表1），其液相线温度为615℃，固相线温度为577℃，热导率为150 W／(m·K)，模具材料为4Cr5MoSiVl。根据散热壳体的大小及其投影面积，拟采用16 000 kN卧式压铸机生产。
1.2模拟条件
采用RSF半固态压铸技术，其半固态浆料的粘度对铸件的品质有较大影响。冷却速度、剪切速率、固相率、合金成分、颗粒形状等因素的改变将直接影响半固态浆料粘度的变化，从而进一步影响浆料的流变性能。但目前还没有建立起完全符合半固态浆料实际情况的粘度模型，因此，采用单相模型进行近似模拟。认为半固态浆料为连续、不可压缩的金属熔体，具有良好的流动性；充型时间很短，一般只有0. 01～0. 20 s，可认为是瞬间完成，忽略流体与模具之间的传热，主要考查剪切速率对粘度的影响。模拟时采用的基本方程，包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，其流变本构方程和粘度方程为：
式中，r为剪应力，Pa；n为粘度，Pa·s；y，为剪切速率，S -1；k为稠度系数，为9. 12×10 -14×100.0047；n为幂律指数，n=4. 03-0. 004t;t为流体填充温度，℃。
为了研究压射低速值和压射高低速切换位置对滤波器散热壳体充型过程的影响（压射高低速切换位置为压铸机冲头在料筒中的行进位置）。根据前期生产调研，制订出3套模拟方案，见表2。模拟参数中，压铸温度为600℃，模具预热温度为200℃。内浇口选在散热壳体长度方向上一侧底部，避免浆料正面冲击型芯，同时能将型腔中的气体由一侧驱赶至另一侧，便于排气。选用缝隙式内浇口，便于半固态浆料作低速平稳的扩展流动，避免因内浇口截面高度与模具型腔深度相差较大而引起喷射。
2 CAE模拟结果与分析
2.1模拟结果
图2是方案1的充型过程，其压射高低速切换位置为700 mm。从图2中可以看到，在充型达到51%时，半固态浆料充型速度比较慢，以层流的方式缓慢充型。当充型达到66%时进行压射高低速切换，此时浆料开始出现喷流，铸件局部位置充型速度过快。在高低速切换后继续充型至81%，此时可以看到浆料流动前端部分位置充型速度很高，半固态浆料没有再以层流的方式进行充型，而是出现了十分明显的尖刀状喷流，同一截面浆料的充型速度不均匀，使得后续的充型过程中会发生回流、卷气现象，造成散热壳体片表面产生气孔，壁厚不均匀。
图3是将压射高低速切换位置改为720 mm(方案2)的充型过程。从图3a与图3b中可以看出，充型至51%和66%时浆料产生喷流，但与方案1相比喷流程度相对变小。当在720 mm处进行压射高低速切换后，充型至81%时，虽然充型前端浆料依旧呈现尖刀状的喷流形状，但从整体上看，喷流的程度得到了明显控制，各充型截面的流动速度相差不大，已进一步降低了回流、卷气对压铸件品质的影响。
图4是方案3的充型过程。从图4中可以看到，半固态浆料在整个充型过程中是以层流的方式进行流动，基本没有产生喷射。半固态浆料在散热壳体上每个散热片的充型都很均匀，浆料充型前端截面各处的流动速度大致相等，充填过程十分平稳，可以直接把型腔的气体往前推出，避免了由于喷射回流产生的卷气现象。
2.2结果分析
以上3种方案的模拟结果表明，压射低速值和高低速切换位置对半固态充型过程影响很大。对比方案1和方案2可知，当压射速度切换较早时，粘度较大的半固态浆料在高速压射的作用下仍然会以喷流的方式进行充型，在充型前端产生尖刀状的飞溅。推迟高低速切换的位置，可以使大量半固态浆料平稳流人型腔并平铺分散开。当低速压射转换为高速压射时，平铺的浆料会将高速压射产生的力均匀地分散在浆料的各个部分，不会使产生的充型力集中在某一区域，从而使飞溅喷流情况得到明显改善。整个浆料流动的速度场较之前也更加平缓均匀，抑制了回流、卷气和氧化夹杂等缺陷的产生。对比方案2和方案3可以看出，采用相对较低的压射低速，可以使半固态浆料通过内浇口后，在充人型腔的最初位置沿散热片高度方向向上堆积更加充分，而后以层流方式顺序向型腔的充型末端推进，有效地改善半固态浆料的充型流动方式，进一步减少了气孔、氧化夹杂等缺陷，大大提高了该压铸件的成形品质。
3 生产验证
采用模拟方案3进行实际生产，获得了外形轮廓清晰、尺寸精度高、壁厚均匀、最小壁厚为0.8 mm的滤波器散热壳体铸件（见图5），图6为浇注系统中浇口位置的微观组织。从图6中可以看出初生a-Al相呈近球状，晶粒细小，分布均匀，具有明显的半固态组织特征。
壳体及散热片表面光滑，没有气孔氧化夹杂。为了验证RSF半固态压铸产品的品质，把散热壳体上的散热片用锯床切割下后进行T6热处理，看表面是否存在气孔和鼓泡现象。因滤波器散热壳体上的单片散热片较长，无法进行整体的X光透射探伤，所以对散热片前端和末端的部分区域进行检测，结果表明，散热片表面无气孔和鼓泡现象，其内部无明显缩松、缩孔，氧化夹杂量较少（见图7）。
4 结 论
(1)滤波器散热壳体采用RSF半固态压铸成形。半固态浆料具有一定的固相率，粘度高、易于堆积，通过调整压射参数，降低压射低速值和推迟高低速切换位置，可有效改善半固态浆料在成形滤波器散热壳体过程中发生喷流的现象，使之以近乎层流的方式进行充型。而且因浆料内部组织为近球状晶粒，相互接触后不会结成网络，所以充型流动通道不会被堵塞，使得所能成形的散热片壁厚更薄。
(2)采用压射低速为0.1 m/s，高低速切换位置为720 mm的方案，进行滤波器散热壳体的实际生产，得到了合格的压铸件。压铸件表面无缩松、气孔等缺陷，其散热片壁厚均匀且大致维持在0. 8～1.0 mm的范围，与模拟的结果大致相同，从而验证了模拟结果的可靠性。
